Taller de Sistemas Operativos

Direccionamiento de Memoria

TSO - 2016

Agenda

•Arquitectura de memoria en x86 (IA-32).

•Direccionamiento en Linux.

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Arquitectura de memoria en x86

• Sistema de administración de memoria de IA-32.

• Segmentación: provee un mecanismo para separar el código, datos y el stack.

• Paginación: provee un mecanismo para implementar un sistema de memoria virtual

de paginación bajo demanda.

• En x86 segmentación está siempre disponible, mientras que

paginación debe ser activado en el modo protegido.

• Existen tres espacios de direcciones.

• Lógico.

• Lineal.

• Físico.

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Espacios de direcciones

• Direccionamiento Lógico.

• Las direcciones se componen de un segmento (segment) y un desplazamiento (offset).

• Direccionamiento Lineal (direccionamiento virtual).

• Permite referenciar a 232 = 4GB de memoria.

• Direccionamiento Físico.

• Utilizado para acceder a las celdas de memoria RAM del sistema.

• Traducción de direcciones.

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Unidad de Segmentación

• El direccionamiento en el espacio lógico es realizado a través de un selector de segmento y un desplazamiento.

• El selector está compuesto de 3 campos (16 bits): • Índice (13 bits): es el número de entrada en una tabla de

descriptores de segmentos.

• Indicador de tabla (1 bit): define si es sobre la tabla global (GDT – Global Descriptor Table) o local (LDT – Local Descriptor Table).

• Nivel de privilegio (2 bits): real, protegido, usuario.

• Las tablas pueden contener hasta 8192 (213) entradas de descriptores.

• Existen dos registros que indican el comienzo de las tablas (gdtr y ldtr).

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Descriptores de segmentos

• Hay diferentes tipos de segmentos.

• Datos (DSD – Data) (GDT o LDT).

• Código (CSD – Code) (GDT o LDT).

• Estado de la tarea (TSSD – Task State) (GDT).

• Contienen la dirección base y el límite del segmento en el espacio

lógico.

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Traducción de lógicas a lineales

• El selector determina el tipo de tabla (gdtr o ldtr).

• Se selecciona el descriptor correspondiente al índice.

• A partir del descriptor se toma la dirección base y se le suma el

desplazamiento.

• Es necesario 2 accesos a memoria.

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Traducción de lógicas a lineales

• Intel agrega registros no programables (cargados por la

arquitectura) que contienen los descriptores de segmentos.

• Esto permite que la traducción se haga en un solo acceso.

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Unidad de Paginación

• Traduce direcciones lineales (virtuales) a físicas.

• Por defecto no está habilitado (si el sistema operativo lo desea,

debe setear la bandera PG en el registro cr0).

• El espacio de direcciones lineales está dividido en intervalos de

largo fijo llamados páginas.

• La unidad de paginación abstrae a la memoria física como

fraccionada en intervalos de largo fijo y del mismo tamaño que la

página (marcos - frames).

• En IA32 las páginas son de 4KB de largo.

• Las direcciones se componen de 3 campos:

• Selector de directorio (10 bits).

• Selector de tabla (10 bits).

• Desplazamiento (12 bits).

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Traducción de lineales a físicas

• La traducción es llevada a cabo en dos etapas:

• Page Directory (1024 entradas).

• Page Table (1024 entradas).

• En total se puede direccionar: • 1024 * 1024 * 212 = 4GB

• El registro base de la tabla de directorio (Page Directory) es el cr3.

• Los dos niveles permiten aprovechar mejor el espacio de memoria

que tener una tabla global.

• Las tablas deben ser mantenidas por el sistema operativo.

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Traducción de lineales a físicas

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Entradas de tablas

Las tablas contienen los campos:

• Present: determina si está cargada en un frame en memoria.

• Campo de 20bits que contiene la dirección del comienzo del frame en memoria física.

• Accessed: se enciende cada vez que la unidad de página direcciona sobre ella.

• Dirty: solo para entradas de tabla de página, es encendida cada vez que se realiza una escritura sobre la página.

• Read/Write: contiene los permisos de acceso.

• User/Supervisor: nivel de privilegio de acceso.

• Si el flag de presencia en memoria no está encendido, la unidad de

paginación carga la dirección lineal en el registro cr2 y genera la

excepción número 14 .

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Resumen direccionamiento

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Memoria Cache

• Son introducidas para mejorar la diferencia de velocidad entre el

procesador y la memoria.

• Utilizan el principio de localidad.

• Van de mapeo directo (direct-mapped) a totalmente asociativas

(fully associative).

• Cada acceso a memoria es realizado a través de la controladora de

memoria cache.

• Se verifica si la dirección física generada con los tags del conjunto

asociativo correspondiente.

• Si coincide (cache hit), se distingue entre lectura y escritura.

• Si es lectura se transfiere la línea de la memoria cache al procesador.

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Memoria Cache

• Si no existe coincidencia (cache miss) se debe cargar el valor

desde memoria RAM a la memoria cache.

• En sistemas multiprocesadores se utilizan estrategias de snooping

para la consistencia entre las caches.

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TLB – Translation Lookaside Buffer

• Utilizadas para mejorar la eficiencia en la traducción de

direcciones lineales.

• Cuando se realiza un acceso a memoria RAM a una tabla

(directorio o de página), se guarda el valor en la TLB.

• Posteriores acceso, con el mismo cr3, permitirán mayor tiempo

de respuesta en la traducción.

• El cambio del registro cr3 inválida todas las entradas de la TLB.

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Direccionamiento en Linux

• Linux utiliza la segmentación de forma limitada.

• Los procesos a nivel de modo usuario utilizan los mismos segmentos de código y de datos (user code segment, user data segment).

• Los procesos a nivel de modo protegido (núcleo) utilizan los mismos segmentos de código y datos (kernel code segment, kernel data segment).

• Se definen macros para los selectores de los segmentos (_ _USER_CS, _ _USER_DS, _ _KERNEL_CS y __KERNEL_DS).

• Los valores base y límite son los mismos para los cuatro segmentos:

• Base: 0x00000000.

• Límite: 0xFFFFFFFF.

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Paginación en Linux • A partir del núcleo 2.6.11 Linux adopto el mismo modelo de

paginación para 32 y 64 bits en IA.

• El modelo dispone de 4 niveles de direccionamiento, en IA32 dos

no son utilizados (upper y middle).

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Paginación en Linux

• El núcleo activa la paginación en el proceso de inicialización del

sistema.

• Linux reserva frames exclusivamente para el código del núcleo y

sus estructuras de datos, que nunca son “swapeadas” a disco.

• Cada proceso tiene su conjunto de tablas.

• El registro base (cr3 - PTBR) es cargado al realizar el cambio

de contexto.

• Al cargar el registro se invalidan todas las entradas de la TLB.

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Tabla de páginas de los procesos

• El espacio de direcciones lineales de los procesos es dividido en dos partes: • Las direcciones lineales desde 0x00000000 a 0xBFFFFFFF son

accedidas tanto por el núcleo y los usuarios (primeras 768 entradas de la global directory).

• Las direcciones lineales desde 0xC0000000 a 0xFFFFFFFF son accedidas solamente por el núcleo (últimas 256 entradas de la global directory).

• Esta forma de direccionamiento permite que los procesos tengan un máximo de 3GB de direccionamiento lineal.

• Las primeras 768 entradas son propias del proceso.

• Las 256 restantes son las mismas para todos los procesos del sistema.

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Tabla de páginas de los procesos

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Mapeo lineal del núcleo

• El núcleo mapea en forma lineal la memoria física en el espacio

lineal a partir de la dirección 0xC0000000.

• La dirección X mapea a la dirección física X – 0xC0000000.

4GB

3GB3GB

0x00000000

(0xc0000000)

(0xffffffff)

Tareas

Núcleo

DireccionamientoLineal

Otros datos núcleo

DireccionamientoFísico

Núcleo

Espaciotareas

Espaciootros datos

núcleo

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La memoria cache en Linux

• Linux favorece la obtención de cache hits a través de dos formas:

• Los campos más usados en las estructuras de datos que define son agrupados para que entren en la misma línea de la memoria cache.

• Cuando es necesario asignar en memoria una gran cantidad de datos, el núcleo intenta distribuirlo de forma que todas las líneas del cache sean utilizadas.

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La TLB en Linux

• Cuando se escribe el registro cr3 el hardware. automáticamente

inválida todas las entradas de la TLB.

• Por lo tanto, Linux trata de no actualizar el registro cr3 en los

siguientes casos:

• Cuando hay un cambio de contexto entre dos procesos que utilizan el mismo conjunto de tablas.

• Cuando se realiza un cambio de contexto entre un proceso regular y un thread del núcleo.

• Al realizar un llamado a sistema y pasar a ejecutar en modo

protegido, también no es necesario actualizar el registro.